1 引言
治污設(shè)施運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)治污設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控和記錄的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控平臺(tái)。
污染源自動(dòng)監(jiān)控是環(huán)境執(zhí)法、科學(xué)管理的重要手段。污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和管理依托環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、電子、通信等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)和信息綜合子系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)是污染治理設(shè)施的組成部分，包括在污染源現(xiàn)場安裝的污染物排放監(jiān)控監(jiān)測(cè)儀器（COD、TOC、PH等水污染物在線監(jiān)測(cè)分析儀，二氧化硫、煙塵等氣污染物在線監(jiān)測(cè)分析儀）、流量（速）計(jì)、污染治理設(shè)施運(yùn)行記錄儀（黑匣子）和數(shù)據(jù)采集傳輸儀（用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、加密，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、接收以及報(bào)警、反控）等自動(dòng)監(jiān)控儀器。簡稱現(xiàn)場機(jī)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
信息綜合子系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)信息終端設(shè)備、監(jiān)控中心系統(tǒng)（污染源自動(dòng)監(jiān)控中心信息管理軟件和數(shù)據(jù)庫等）。簡稱上位機(jī)。
本文介紹采用LM系列小型PLC作為現(xiàn)場機(jī)收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通訊，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)在線對(duì)現(xiàn)場污染源的監(jiān)控。
2系統(tǒng)介紹
2.1 系統(tǒng)描述
由對(duì)污染源主要污染物排放實(shí)施在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）的自動(dòng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和監(jiān)控中心組成，簡稱系統(tǒng)。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)從底層逐級(jí)向上可分為現(xiàn)場機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)三個(gè)層次。上位機(jī)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場機(jī)交換數(shù)據(jù)、發(fā)起和應(yīng)答指令。
上位機(jī)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場機(jī)相互作用，并獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，具體有兩種操作方式：一是現(xiàn)場儀器儀表（以下通稱監(jiān)測(cè)儀器）本身具有較強(qiáng)的通信功能，監(jiān)控現(xiàn)場只有一臺(tái)儀器，可直接操作現(xiàn)場監(jiān)測(cè)儀器，取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制動(dòng)作，并接收告警信息；二是上位機(jī)不直接與監(jiān)測(cè)儀器通訊，而是與數(shù)據(jù)采集傳輸儀通訊，數(shù)據(jù)采集傳輸儀下接監(jiān)測(cè)儀器。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.2.1 現(xiàn)場機(jī)
安裝在污染源排放口現(xiàn)場，用于監(jiān)測(cè)污染源排污狀況及完成和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)膯闻_(tái)或多臺(tái)設(shè)備及設(shè)施，它是污染治理設(shè)施的組成部分，包括在污染源現(xiàn)場安裝的污染物排放監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）儀器、流量（速）計(jì)、污染治理設(shè)施運(yùn)行記錄儀和數(shù)據(jù)采集傳輸儀等自動(dòng)監(jiān)控儀器。
2.2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)
基于TCP/IP 的和非基于TCP/IP的傳輸網(wǎng)絡(luò)及之上的連接。數(shù)據(jù)傳輸通訊協(xié)議在基于不同傳輸網(wǎng)絡(luò)（該傳輸網(wǎng)絡(luò)被稱為基礎(chǔ)傳輸層）的現(xiàn)場機(jī)和上位機(jī)之間提供交互通訊。應(yīng)用層依賴于所選用的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在選定的傳輸網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通訊，在基礎(chǔ)傳輸層已經(jīng)建立的基礎(chǔ)上，整個(gè)應(yīng)用層的協(xié)議和具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。
2.2.3 上位機(jī)
安裝在各級(jí)環(huán)保部門，有權(quán)限對(duì)現(xiàn)場機(jī)發(fā)出查詢和控制等本規(guī)范規(guī)定指令的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。包括計(jì)算機(jī)信息終端設(shè)備、監(jiān)控中心系統(tǒng)等。
3 數(shù)據(jù)采集儀工作原理及功能
數(shù)據(jù)采集儀通過數(shù)字通道、模擬通道、開光量通道采集檢測(cè)儀表的檢測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，然后通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳至上位機(jī)；上位機(jī)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸儀根據(jù)命令控制檢測(cè)儀表工作。
數(shù)據(jù)采集儀通過GPRS無線方式與上位機(jī)通訊，數(shù)據(jù)采集傳輸儀能通過串行口與具備標(biāo)準(zhǔn)透明傳輸?shù)臒o線模塊(GPRS DTU模塊)連接。
數(shù)據(jù)采集傳輸儀從功能上可分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和顯示單元等。
3.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)功能
污染物排放數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：應(yīng)能實(shí)時(shí)采集在線監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)的污染物排放數(shù)據(jù)。超標(biāo)后能自動(dòng)報(bào)警。
治污設(shè)施運(yùn)行監(jiān)測(cè)：對(duì)某臺(tái)設(shè)備的監(jiān)控不應(yīng)局限于單參數(shù)的監(jiān)測(cè)，若有可能，應(yīng)進(jìn)行多狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以具有可參照性、邏輯判斷性，能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。
檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)：應(yīng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè)儀、自動(dòng)采樣器等現(xiàn)場儀表、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行、停止或故障等）。
工作環(huán)境監(jiān)測(cè)：應(yīng)能監(jiān)測(cè)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度）、安防報(bào)警等信號(hào)。
3.2 遠(yuǎn)程設(shè)置和控制
應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)來的限值設(shè)定、儀器調(diào)校及啟停等操作指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制。
3.3 數(shù)據(jù)傳輸功能
應(yīng)能按照以下幾種方式，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信：
應(yīng)答上傳：對(duì)監(jiān)控中心發(fā)出的數(shù)據(jù)呼叫請(qǐng)求能及時(shí)響應(yīng)上傳；
定時(shí)上傳：能根據(jù)設(shè)定的間隔時(shí)間定時(shí)上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心；
異常主動(dòng)上報(bào)：當(dāng)出現(xiàn)污染物超標(biāo)、治污設(shè)施停止運(yùn)轉(zhuǎn)、現(xiàn)場設(shè)備故障等異常情況時(shí)能主動(dòng)上傳給上一級(jí)監(jiān)控中心。
3.4 數(shù)據(jù)及時(shí)間記錄儲(chǔ)存功能
能連續(xù)存儲(chǔ)現(xiàn)場3個(gè)月以上的檢測(cè)數(shù)據(jù)和操作記錄、報(bào)警記錄、停電記錄等事件數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù)可以覆蓋最早時(shí)間數(shù)據(jù)。采集存儲(chǔ)間隔時(shí)間可靈活設(shè)置。
4 監(jiān)控系統(tǒng)組成
4.1 監(jiān)控系統(tǒng)方案配置
控制系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示采用和利時(shí)HT6720T系列觸摸屏，下位機(jī)CPU選用和利時(shí)LM3109 PLC控制器；觸摸屏通過擴(kuò)展的LM3331通訊模塊走RS232串口線通過標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議與CPU進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀表通過直接模擬量輸入借口或RS485通訊的方式和CPU之間交換數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場機(jī)和上位機(jī)通過GPRS串口透明傳輸模塊以無線方式交互控制方式。
圖3 系統(tǒng)配置圖
4.2控制系統(tǒng)硬件
4.2.1 GPRS串口透明傳輸模塊
GPRS串口透明傳輸模塊支持900/1800 MHz系統(tǒng)，提供RS-232接口，支持各種非TCP/IP終端設(shè)備數(shù)據(jù)的透明傳輸，如各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖片監(jiān)控設(shè)備、POS/ATM終端、PLC設(shè)備等，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、遙感勘測(cè)、POS/ATM等各種串行數(shù)據(jù)端口的遠(yuǎn)程設(shè)備與中心服務(wù)器的連接和數(shù)據(jù)通信。
4.2.2 PLC選型
本系統(tǒng)采用LM系列PLC控制，配置1個(gè)CPU模塊LM3109、1個(gè)6通道模擬量輸入/2通道模擬量輸出/1路MODBUS slave通訊模塊和1個(gè)8通道模擬量輸入模塊LM3313。
1）CPU模塊：LM3109模塊的額定工作電壓為AC220V，自帶40點(diǎn)I/O，提供24路DC24V輸入/16路繼電器輸出處理。具有1個(gè)RS232和1個(gè)RS485通訊接口，支持專有協(xié)議（僅RS232）/Modbus RTU協(xié)議/自由協(xié)議。
2）通訊擴(kuò)展模塊：LM3331額定工作電壓24VDC，提供6路電壓/電流信號(hào)輸入、2路電壓信號(hào)輸出處理和1路MODBUS通訊，支持MODBUS RTU從站協(xié)議（功能碼01/02/03/04/05/06/15/16），通信接口RS232/RS485可選。
3）模擬量擴(kuò)展模塊：LM3331模塊提供8通道模擬量輸入通道，輸入范圍-10V-10V、-20mA-20mA可選，精度可達(dá)0.5%FS。主要完成現(xiàn)場模擬量的輸入、采集與處理工作。
4.2.3 顯示單元
顯示單元采用和利時(shí)HT6720T系列觸摸屏，配以監(jiān)控組態(tài)軟件來完成。能顯示所連接檢測(cè)儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、小時(shí)均值、日均值和月均值，也能顯示污染物的小時(shí)總量、日總量和月總量。圖4-圖5為顯示單元監(jiān)控畫面。
5 結(jié)束語
本文介紹了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性關(guān)鍵問題的解決方法，通過應(yīng)用GPRS無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試。系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)具備較好的數(shù)據(jù)傳輸安全性，使數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力更強(qiáng)，保證了系統(tǒng)的可靠性，該方案使控制系統(tǒng)有機(jī)地成為企業(yè)整個(gè)IT架構(gòu)的一部分，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，本文對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸以及其它無人值守的系統(tǒng)均有一定的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。
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